고 제동성의 방빙 도로 덮개 시스템

고 제동성의 방빙 도로 덮개 시스템{High-Traction Anti-Icing Roadway Cover System}

이 발명은 도로와 교량에 대한 결빙방지 시스템에 대한 것으로 더욱 자세하게는 도로를 덮는 시스템이다.

도로의 결빙과 적설은 전세계의 겨울철 노면 마찰력의 감소로 운전 환경을 열악하게 하는 주 요인이다. 이러한 환경에서는 자동차의 충돌을 유발할 수 있으며, 또한 충돌을 방지하고자 서행을 하게 되어 전체적인 교통 흐름에 방해를 가져오게 된다.

특히 교량은 결빙되기 매우 쉬우며 미국 남부의 경우 겨울철에 종종 빙점 부근까지 내려가 진눈깨비나 빙우(freezing rain)가 내리는 경우가 많다. 특히 위험한 결빙 상황을 흑빙(black ice)이라 부른다. 교량의 상판은 이른 아침부터 열을 보유하고 있는 지표와 직접적으로 접촉되지 않아 다른 도로면에 비해 결빙이 빠르게 진행된다. 따라서 시나 주당국, 기타 도로유지 관련 당국은 겨울철 노면과 교량면의 마찰을 높이기 위해 방빙(防氷, anti-icing) 및 제빙(除氷, de-icing) 작업을 하게 된다. 정의로 볼 때, 방빙은 결빙전에 처리하는 과정을 말하며, 제빙은 결빙 후 처리하는 방법을 일컫는다. 그러나 대개 두 용어는 혼용된다. 일반적인 방빙 및 제빙 활동에는 다음의 설명과 같이 화학, 열, 기계적 방법이 이용된다.

방빙제(anti-icing chemicals)는 물의 빙점을 낮춰 얼음의 생성을 막아, 적빙(ice buildup)을 방지하는 방법이다. 이러한 화학제는 제빙 과정에서 얼음을 녹일 때도 사용되지만 결빙 이전에 사용되는 것보다 효율이 떨어진다. 방빙 및 제빙에 사용되는 화학 약품에는 염화나트륨(sodium chloride), 염화칼슘(calcium chloride), 염화마그네슘(magnesium chloride) 등이 있다. 이 중에 염화나트륨이 가장 저렴하나 섭씨 영하 12 ~ 18도까지에서만 효과를 볼 수 있다. 염화나트륨은 또한 지하수의 염도(salinity)를 높이고, 손상되기 쉬운 수계 환경(aquatic ecosystem)에 바람직하지 못한 영향을 미치며, 지하수나 지표수에 토양중의 독소를 통과시키는 등 환경에 심각한 영향을 미치게 된다. 염화나트륨은 또한 콘크리트 노면 상부에 균열이 가도록 하는 경향이 있다. 염화칼슘은 영하 섭씨 29도까지 적용가능하며 콘크리트에 덜 손상을 주지만 환경에 상대적으로 큰 악영향을 줄 수 있다. 염화칼슘이나 염화나트륨 모두 흔히 차량 자체 혹은 콘크리트 교량의 갑판 강화용으로 사용되는 철제에 부식성을 유발할 수 있다. 염화마그네슘은 물의 어는점을 섭씨 영하 33도까지 낮추며 상대적으로 환경에 덜 악영향을 주고, 부식성이 약한 것으로 알려지고 있으나 다른 염화물에 비해 상당히 가격이 비싸다. 게다가 종종 방빙제를 뿌리는 인부들의 작업 비용도 상당하다.

열적 방빙 기술(thermal anti-icing techniques)은 노면을 가열하여 노면을 빙점 이상으로 유지하는 것이다. 예를 들어, 미국 특허 제3,995,965호는 도로 위에 가열된 유체가 흐르는 도관(duct)과 작동기(actuator) 위를 지나는 차량에 반응하여 도관내의 유체가 분출 되는 가열시스템을 설명하고 있다. 최근에는 미국 오레곤과 버지니아 등지에서 교량 갑판의 가열 성능 시험 프로젝트가 수행된 바 있다. 오레곤 프로젝트의 경우 연장 1,000 미터 교량 갑판에서 광물성 절연 케이블(mineral insulate cable)을 이용해 시험이 이루어진 것으로 알려져 있다. 오레곤의 또 다른 교량 프로젝트에서는 교량 갑판에 설치된 열프라스틱(thermoplastic) 배관(tubing)으로 흘려 보내기 위해 가열된 지하수를 사용하는 방법이 시험 되었다. 버지니아 교통부 프로젝트는 교량 갑판을 갑판에 설치된 강관을 흐르는 암모니아로 데우는 것이다; 암모니아는 열교환기를 통해 가열되는데 이 때 주요 루프 케리어(loop carrier)는 가스로에서 데워진 물과 프로필렌 글리콜(propylene glycol)의 혼합물이다. 이 버지니아 시스템에서는 컴퓨터 통제 시스템이 눈이나 얼음, 강우나 교량 갑판의 습한 상태와 관련된 어는점을 감지하여 교량 가열을 작동한다; 이 제어 시스템은 또한 도로가 안전한 상태가 되면 가열을 자동으로 멈춘다.

이러한 일반적인 열적 방빙법은 필연적으로 상당한 케이블이나 파이프의 매설 비용을 수반하며 교량 전체가 무차별 적으로 가열되어지는 점을 감안할 때 일반적으로 그다지 에너지 효율적이지 못하다. 또한 위험한(젖고 어는) 상황이 지속되면 교량 갑판을 지속적으로 가열하기 위해 추가적인 에너지가 소비된다.

기계적 방법은 일반적으로 방빙 보다는 제빙 과정에 적용된다. 예를 들면 제설기나 불도저를 이용한 노면의 제빙작업을 들 수 있다.

좀 더 자세한 배경 설명으로 노면에 미끄럼 방지물을 적용하는 것이다. 간단한 예로 빙판이나 눈길 위로 모래를 뿌려 빙면과 이를 지나는 차량 바퀴의 제동력을 추가적으로 발생시키는 것이다. 물론 모래나 기타 연마재는 자체적으로 얼음이나 눈을 녹이지는 못하며, 따라서 제빙용 화학물질과 섞여 사용되기도 한다. 이와 같은 도로나 보행로의 표식(marker)이나 표식 테이프의 사례는 미국 특허 제4,146,635호; 제5,316,406호, 독일 특허 DE 2702442호, 그리고 미국 특허 제5,204,159호에서 볼 수 있다. 결빙된 도로에 사용되는 열 절연 물질에 대한 기술은 구 소련 특허 1010889-A1호에 나와 있다.

최근 들어 도로교통 안전에 대한 상당한 연구가 미국의 교통부에 의해 지원 받아 오고 있다. 이러한 연구에는 고속도로 포장도로와 교량 갑판에 얇게 부착 된 박판(overlay)이나 표면 박판(laminate)의 사용을 포함한다. 도로 표면에 부착된 박판이나 상감판(inlay), 그리고 교량에 설치 된 비부식성 경량 표면박판에 대한 몇몇 시험이 수행되었다. 포장도로에 대한 시뮬레이션 기계뿐 아니라 도로나 교량의 재포장 수명과 비용 등을 추정하기 위한 컴퓨터 모델링 프로그램도 개발되었다.

배경 기술을 좀 더 살펴보면 초단열물 재료를 들 수 있다. 이 재료는 열적 방빙법의 에너지 효율을 높여준다. 예를 들어, 실리카 에어로젤(silica aerogel)은 초경량과 뛰어난 절연 성능을 갖는다. 또 다른 뛰어난 물성과 단열 성능을 가진 물질로는 27세기 테크놀로지사(27 ^th Century Technologies, Inc.)에 의해 개발 된 열다이오드(THERMAL DIODE) 코팅이다. 이 코팅은 한 쪽 방향으로 효과적으로 열에너지 전달을 위한 일 방향 초전도 경로를 발생시키며, 반대 방향으로는 뛰어난 단열 성능을 나타낸다. 다른 기술을 좀 더 보면, 차량 바퀴의 스파이크(stud) 소재로써 따뜻한 환경에서는 휘기 쉽고 유연하나, 어는점에서는 단단해 지는 특성이 있다.

또 다른 기술을 보면 원격으로 액체 방빙 화학제를 교량, 터널, 램프, 도로 등 해당 지역에 자동으로 뿌려주는 기술도 최근 기술이다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예로 방빙 도로 덮개 시스템을 갖고 있는 교량 갑판의 사시도이다.

도 1b는 도 1a의 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 교량 갑판의 도로 덮개에 부착된 시스템 통제와 공급 모듈의 확대도이다.

도 2a와 2b는 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 도로 덮개의 분해도이다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 도로 덮개의 단면도이다.

도 4a 내지 4c는 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 도로 덮개의 설치와 제거를 보여주는 입면도이다.

도 5a 내지 5e는 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 덮개와 차량 바퀴의 접촉 관계를 보여주는 입면도 및 평면도이다.

도 6a 내지 6e는 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 도로 덮개의 작용을 보여주는 입면도 및 평면도이다.

도 7a 내지 7c는 차례로 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 도로 덮개의 빙점 이하의 온도에서 작동을 보여주는 전망도, 단면도 및 평면도이다.

도 8a 내지 8d는 차례대로 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 가열부를 포함한 도로 덮개의 전망도, 평면도, 단면도이다.

도 9a는 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 도로 덮개의 방빙제를 뿌리는 장치를 보여주는 사시도이다.

도 9b는 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 도 9a의 표면 덮개에 있는 한 개의 튜브의 단면이다.

도 9c는 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 바와 같은 방빙제를 뿌리는 제어시스템을 간단히 보여주는 그림이다.

도 10a 내지 10d는 본 발명의 바람직한 실시예로 구현된 열적 화학적 장치를 포함한 도로 덮개를 보여주는 입면도이다.

본 발명의 목적은 도로나 교량 갑판 표면에서 얼음이 노면에 들어 붙는 것을 방지하는 시스템을 이용하여 적빙을 방지하고자 하는 것이다.

또한 계절등에 따라 쉽게 제거 및 교체가 가능한 덮개로 시스템을 구성하는 것이다.

또한 적빙을 방지하고자 차량 자체 무게를 이용하여 기계적 방빙을 하는 시스템을 제공하는 것이다.

또한 화학적 방빙제를 효과적으로 활용하여 인간의 노력이나 개입 없이 방빙제의 과도 사용으로 인한 노면 넘침(runoff)을 최소화 하는 시스템을 제공하는 것이다.

또한 가장 효율적인 방법으로 열적 방빙 기술을 노면에 적용하는 시스템을 제공하는 것이다.

또한 방빙 과정에서 화학적, 열적 효율을 극대화 시키기 위해 기계적, 열적, 화학적 기술을 결합하여 시너지 효과를 얻을 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.

또한 빙점 이하 온도에서 빙판길에 대하여 도로 표면 제동성을 높이고, 상온에서는 도로 표면을 상대적으로 부드럽게 하는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적과 장점은 도면과 함께 설명되는 다음의 특징으로부터 관련 분야 일반 기술자들에게는 명백히 파악될 것이다.

본 발명은 바퀴 자국 너비 정도의 노면을 따라 판의 형태로 변형 가능한 도로 덮개를 설치할 수 있도록 되어있다. 도로 덮개는 서로 인접하고 차량 진행 방향에 사선방향으로 설치된 평행의 튜브 다발을 포함한 층을 포함한다. 튜브들은 차량 무게에 의해 수축 변형되며 튜브들 중 주기적으로 특별히 선택된 튜브들은 팽창되거나 비압축성으로 설계된다; 이러한 비수축성 튜브는 주행하는 차량의 제동성을 향상시킨다. 도로 덮개는 자력에 의해 노면에 밀착되며, 트럭에 의해 끌려가는 로울러에 의해 연속적으로 제거와 재설치 될 수 있다.

또 다른 발명의 관점에서, 도로 덮개 내에서 선택된 평행 튜브 내에 전기 열선을 장착하여 열적 방빙을 수행할 수 있다; 열이 도로 덮개 아래로 흐르지 않고 상향으로 작용하도록 도로 덮개 내에 고 단열층이 장착된다. 따라서 도로 덮개의 열효율이 극대화 된다.

또 다른 발명의 관점에서, 방빙제(anti-icing chemical)는 선택된 튜브에 작은 오리피스를 만들고 이를 통해 도로 덮개 위로 분사되도록 펌핑 된다. 방빙제는 고가의 저장소에 저장되며, 온도 조절 밸브를 통해 중력에 의해 노면으로 공급되도록 한다. 진행 차량의 하중에 의한 튜브의 변형은 방빙제의 사용을 줄일 수 있으며, 진행 차량 바퀴에 의해 방빙제가 노면에 확산되는 효과도 있다.

발명의 또 다른 관점에서 하나의 도로 덮개 시스템에 기계적, 열적, 화학적 방빙이 시너지적으로 복합 사용 될 수 있다. 이러한 복합 사용은 에너지 활용 효율을 극대화하고, 방빙제를 효율적으로 사용할 수 있으며 남용에 의한 환경 오염을 줄이게 되어 뛰어난 방빙 성능을 제공하게 된다.

본 발명에 대하여 바람직한 실시예와 함께 상세하게 기술하도록 한다. 이 실시예는 주요 사례로서 위험한 겨울철 속성 결빙에 가장 영향 받기 쉬운 도로의 부분인 교량 갑판 및 경간(스팬)에 대한 발명의 적용과 관계하여 기술될 것이다. 이러한 특수 분야에 경험이 있는 기술자들에게는 본 발명이 가로, 간선도로 노면, 개인 도로 등을 포함한 여러 타입의 도로 표면에 쉽게 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예는 도로의 방빙을 위한 접근법들과 결합하여 기술될 것이다.

본 발명의 범위 내에서 이 분야의 관계자들로 하여금 한 개 혹은 두개의 가용 한 메커니즘을 이용하여 본 발명의 결합기술의 부분적 결합과 적용이 가능할 것은 명백하다. 따라서 본 서술은 사례로서 제시하는 것으로 청구된 발명의 범위를 제한하지는 않는다.

배경기술에서 언급한 바와 같이 방빙 및 제빙 활동은 흔히 겨울철, 특히 빙점 부근의 온도에서 결빙 되기 쉬운 지역에서 필요하다. 방빙과 제빙은 물론 차량의 바퀴가 접촉되는 도로 표면에서 이뤄진다; 도로를 볼 때 흔히 명백하듯, 특히 눈과 얼음이 쌓이고 날씨가 좋지 않을 조건에서, 선행 차량의 바퀴가 특정 도로면을 지나가게 되면 후속 차량도 동일한 경로를 지나가는 경향이 있다. 본 발명에 의하면 이러한 바퀴의 경로(tire path)에 노력을 집중함으로써 상당한 방빙 및 제빙 효율을 높일 수 있다.

도 1a을 참조하면서, 발명의 바람직한 실시예로 구성되고 교량 갑판에 적용된 도로 덮개 시스템에 대해 자세히 설명한다. 이 사례에서 교량 갑판(2)은 교량의 양방향 2차선 구간이다. 도로 덮개(12)는 갑판(2)의 길이 방향으로 나란한 각 방향별로 연속적인 자동차(4) 바퀴의 자취를 따라 두 개의 평행판(strip)의 형태로 배치되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예로서의 도로 덮개 시스템은 기계적, 열적, 그리고 화학적 방빙 메커니즘의 결합으로 작동된다. 또한, 발명의 바람직한 실시예로서의 도로 덮개 시스템은 방빙 기능 뿐 아니라 바퀴의 정지 마찰력도 개선시키게 된다. 각각의 메커니즘이 독립적으로 혹은 한 두 가지의 결합으로 활용될 수 있으나, 노면 제동력의 증가 기능, 열 메커니즘에 필요한 에너지 측면에서의 시너지 효과와 방빙을 위한 화학제의 사용 최소화 등을 위하여 세가지 방법을 복합적으로 사용하는 것으로 되어 있다.

이와 관련하여 도 1a를 다시 참조하면, 교량 갑판(2)에 인접한 전신주(pole)(5)에 배치된 제어 및 공급 서브시스템(subsystem)을 볼 수 있다. 이 예에서, 전신주(5)는 일반적인 방법으로 송전선(14)과 연결된 전신주(power line pole)이다. 열적 방빙은 다음에 상술할 도로 덮개(12)로 전기에너지를 공급함으로 이루어진다. 일반적으로, 전신주(5)에 부착 된 전력 스위치 제어 박스(16)는 송전선(14)으로부터 (그림에는 표시되지 않았지만 대개 변압기를 거쳐) 전력을 공급 받아 케이블(19)과 분배 소켓(9)을 거쳐 도로 덮개(12)로 전하도록 작동된다. 도 1b에 좀 더 자세히 보이듯이, 분배 소켓(9)은 전신주(5)에 장착되어 각각 소켓(9)에 플러그 되어 있는 컨덕터(7)를 거쳐 전류를 도로 덮개(12)에 공급하게 된다. 아래에 상세히 설명되듯이, 파워 컨덕터(7)는 도로 덮개(12)를 안으로 통과하여 도로 덮개(12)의 온도를 (아래 설명되듯이 화학적 처리로 어는점이 올려진 상태에서) 빙점 이상으로 가열시킨다. 바람직하게는, 컨덕터(7)는 교량 갑판(2)에 있는 그루브(grooves)로 들어가 운행 차량(4)으로부터 가려지고 보호되도록 한다. 전력 스위치 제어 박스(16)는 교량 갑판(2)의 온도, 습도, 강우량 등 환경 조건을 감지하는 센서에 더하여 무선 혹은 다른 통신 수단을 통하여 기상 예보 등의 정보를 통신하는 센서가 결합 혹은 포함된 시스템 제어 모듈(10)에 의해 제어된다.

화학적 방빙은 역시 전신주(5)에 장착된 저장 컨테이너(15)를 포함한 서브시스템에 의해 수행된다. 제어 밸브(17) 역시 전신주(5)에 부착되어 분배함(8)을 통해 저장 컨테이너(15)로부터 액체 방빙 화학제의 흐름을 제어하게 된다. 도 1b에서 보듯이 분배함(8)은 전신주(5) 바닥 근처에 부착되어 교대로 도로 덮개(12)에 방빙 액체를 공급할 공급 튜브(6)와 연결되어 있다. 특히, 공급 튜브(6)는 운행 차량과 환경 조건으로부터 보호되도록 덮여지고 보호되기 위하여 교량 갑판(2) 내부에 끼워지게(inlaid) 된다. 제어 밸브(17)도 감지되거나 교신 된 기상 조건에 따라 시스템 제어 모듈(10)에 의해 제어 된다.

이제 도 2a 와 2b를 참조하면, 판으로 이뤄진 겹 층의 도로 덮개(12)가 나타나 있는데, 이는 기계적 방빙 구성 요소로서 그 작동 방식은 다음과 같다. 도 2a는 교량 갑판(2)의 도로 덮개(12)를 도시하고 있는데, 이 부분에는 8분의 1에서 4분의 1인치 정도의 깊이(22)로 그루브(21)가 노면(20) 위에 파여 있다. 이렇게 상대적으로 얇게 파인 것은 교량 갑판(2) 자체의 구조 강도에 영향을 주지 않기 위함이다. 운행 차량(4)의 바퀴 자취(track)에 맞추기 위해 그루브(21)의 너비(23)는 3내지 4 피트로 하였다. 그루브(21)는 교량 갑판(2)의 최초 건설 시 제작되거나, 교량 갑판(2)이 이미 건설 되어 운영될 경우에는 아스팔트나 노면(20)의 일반적인 절삭 방법을 이용하면 된다. 다음 설명에서 명백해지듯 도로 덮개(12)를 끼우는 기능과 함께 도로 덮개(12)가 잘 부착되도록 그루브(21)는 오일이나 먼지 등을 노면(20)에서 제거하게 된다.

그림 2a에서 보듯 바닥자석덮개(base magnetic cover)(24)는 노면(20)의 그루브(21)에 깔린다. 본 발명의 바람직한 실시예로 바닥자석덮개(24)는 세라믹 코팅 된 강철판이나 비다공질의 유연한 자석판으로 제작될 수 있다. 어느 재료이든 바닥자석덮개(24)는 매우 긴 시간동안(예를 들어 수년간) 노면(20)의 제자리에 있어야 하며, 따라서 가급적 노면(20)의 그루브(21) 표면에 지속적으로 접착되어야 하며 에폭시나 다른 접착제들이 사용될 수 있다. 바닥자석덮개(24)의 두께는 32분의 1인치에서 16분의 1인치 정도가 좋다.

도로 덮개(12)는 바닥자석덮개(24) 위에 장착된다. 특히 도 2b에 보이듯이, 본 발명의 바람직한 실시예로 도로 덮개(12)는 다층 구조로 되어 있는데, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 최하부 자석층(26), 중간 단열층(27), 맨 위 튜브층(28)으로 구성된다. 도로 덮개(12)의 최하부 자석층(26)은 비다공성 고무 자석판으로, (사이에 접착제 첨가 없이) 바닥자석덮개(24)와 순전히 자력에 의해 붙어 있게 된다. 바닥자석덮개(24)가 강철판이라면 방향성은 신경 쓸 필요 없다; 반대로 바닥자석덮개(24)가 최하부 자석층(26)과 같은 고무 자석판이라면 서로 인력으로 부착되도록 자성을 조절하여 배치하면 된다. 자석층(26)과 바닥자석덮개(24) 사이의 자기 접착력은 운행중인 차량(4)이 회전하거나 정지 시 발생하는 전단력에 반하여 두 판을 견고히 부착시키도록 하지만, 아래 설명하듯이 자석층(26)은 쉽게 바닥자석덮개(24)와 떼어질 수 있다. 이러한 자기 접착 성질 때문에 도로 덮개(12)를 계절이나 특별한 유지 교체 기간에 쉽게 설치 및 제거된다.

원한다면 도로 덮개(12)와 바닥자석덮개(24) 사이의 접착력은 자기접착력에 접착제를 이용하여 접착력을 더하여 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도로 덮개(12)를 설치하기 전에 바닥자석덮개(24)의 표면에 박막접착필름을 도포할 수 있다. 접착제를 사용할 경우 도로 덮개(12)를 나중에 떼어내기 쉽도록 경화 되지 않도록 한다.

도로 덮개(12)의 최하부 자석층(26) 위에 겹쳐 있는 층은 단열층(27)이다. 본 발명의 바람직한 실시예로 단열층(27)은 소위 초단열재(super insulator material)의 박막층으로 제작하여 효과적으로 교량 갑판(2) 하부로 열이 전도되는 것을 막는다. 이러한 단열재의 예로는 실리카 에어로젤(silica aerogel)과 27세기 테크놀로지사(27 ^th Century Technologies)에 의해 개발된 열다이오드(THERMAL DIODE) 코팅 등이 있다.

도로 덮개(12)의 최상부 튜브층(28)은 일련의 서로 가깝게 묶여 있는 평행 튜브들(29)로 구성된다. 튜브들(29)은 자동차 바퀴 고무나 네오프렌(neoprene), 기타 유사한 재료와 같이 고강도의 내구성 있고 변형이 가능한 소재로 만들어 지도록 한다. 각각의 튜브(29)의 직경은 7분의 3 인치에서 2분의 1인치 사이가 되도록 한다. 튜브(29)의 내경은 외경의 3분의 1에서 2분의 1이 되도록 한다. 도 2b에서 보듯 튜브(29) 다발의 방향은 노면(20)의 진행 방향에 경사지게 둔다. 각각의 튜브(29)는 에폭시나 고강도 접착제로 단열층(27)과 접착 된 평면판에 집적튜브층(28)으로 집적되어 고착 시킨다.

고강도, 내구성의 튜브층(28)은 일반적인 바퀴 고무보다 더 강하게 하여 건조한 날씨에도 차량이 진행할 때 표면에 개선된 제동력을 갖도록 해야 하나, 도로 덮개(12)와 운행 차량 사이의 제동력을 너무 과도하게 유발시켜 급정거 등에서 차량 제어에 문제가 발생하지 않도록 해야 한다. 또한, 도로 덮개(12) 양단에 기존 도로 마찰과 도로 덮개(12) 마찰의 중간적인 마찰 재료로 일정 길이의 천이 지대를 만들어 갑작스러운 노면 환경 변화로 발생할 위험을 없애도록 한다.

도 3a에서 3d는 본 발명의 바람직한 실시예로 도로 덮개(12)의 설치 과정을 보여준다. 도 3a는 전형적인 도로 차선 너비(33) 내를 지나는 차량의 바퀴 사이의 차축거리(32)를 보여준다.

따라서, 너비(23)는 차선 너비(33) 내를 운행하는 차량의 경로를 고려하여 쉽게 결정될 수 있다. 12 피트의 전형적인 차선 너비(33), 전형적인 차축거리(32)와 운전자의 유격을 고려할 때 도로 덮개를 위한 너비(23)는 3피트 내지 4피트가 적절하다.

8분의 1 인치에서 4분의 1인치 정도의 설계 깊이(22)에 따른 각 덮개 너비(23) 만큼의 그루브(21)의 커팅은 도 3b에 나타나 있다. 그 후 도 3c에서 보듯이 각각의 그루브(21) 내에 바닥자석덮개(24)를 에폭시나 강한 영구접착제를 이용하여 접착 시킨다. 도 3c에서 볼 수 있듯 바닥자석덮개(24)는 노면(20) 보다 아래에 있도록 한다. 이 후 다음에 자세히 설명하겠지만 도로 덮개(12)가 바닥자석덮개(24) 위로 장착되는데, 그루브(21) 내에 들어가게 하면서도 도 3d에 나오듯 노면(20)보다 약간 높게 나오도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로 도로 덮개(12)의 설치 사례는 도 4a에서 도 4c를 통해 차례대로 설명한다. 도 3b에서 보듯이 바닥자석덮개(24)가 첫번째로 그루브(21) 내에 영구적으로 설치된다. 예를 들어 바닥자석덮개(24)가 세라믹이 덮여진 강철판이라면 적절한 에폭시나 여타 접착제를 바닥자석덮개(24) 밑에 발라 수작업으로 간단히 그루브(21) 내에 깔아 부착할 수 있다.

반대로 바닥자석덮개(24)가 비다공질의 유연한 자석판으로 설치된다면 바닥자석덮개(24)는 도 4a에 보이는 방법대로 쉽게 설치할 수 있다. 냉장고에 부착하는 고무 자석 같은 자석판은 수백 피트 길이의 긴 롤로 가공될 수 있다. 따라서 도 4a의 설치 트럭(40)은 이 자석판을 감은 릴(reel)(42)을 끌고 가며, 압력 롤러(41)를 뒤에서 끌게 된다. 바닥자석덮개(24)는 노면(20)을 따라 천천히 진행하는 트럭(40)에 의해 깔리는데, 먼저 그루브(21)에 바닥자석덮개(24)를 깔고 압력 롤러(41)가 압력으로 고착 시키게 된다. 도면에는 안 나오지만 압력 롤러(41)가 누르기 전 작업 인부에 의해 접착제를 트럭(40) 바퀴 뒤로 그루브(21)로 넣든지 트럭(40)에 의해 자동으로 접착제를 뿌리게 된다. 압력 롤러(40)는 바닥자석덮개(24)를 편평하고 그루브(21) 내에 확실히 고착 시키는 역할을 한다.

(판을 수작업으로 깔거나 도 4a처럼 작업 할 경우) 바닥자석덮개(24)를 설치한 후, 접착제가 건조된 뒤 도로 덮개(12)가 트럭(40)에 의해 설치된다. 이 경우 릴(43)은 수백 피트의 도로 덮개(12)를 감고 있다. 그 후 도로 덮개(12)는 트럭(40)으로부터 공급되어 압력 롤러(41)의 압력으로 바닥자석덮개(24) 바로 위에 장착된다. 앞서 설명하였듯이 자력에 의해 바닥자석덮개(24)와 도로 덮개(12)가 접착되기에 충분하지만 필요할 경우 접착제를 사용할 수도 있다. 도로 덮개(12)는 노면(20)을 따라 트럭(40)에 의해 이와 같이 쉽게 장착될 수 있다.

도로 덮개(12)는 도 4b에서 보이듯 역시 트럭(40)에 의해 쉽게 제거된다. 이 경우 압력 롤러(41)는 되감기 롤러로 작용하여 되감긴 도로 덮개(12)는 압력 롤러(41) 윗부분에서 릴(43)로 연결되어 감긴다. 이 때, 도로 덮개(12)가 깔리기 시작한 한쪽 끝에서 출발하여 도로 덮개(12) 면을 따라 운행을 한다. 특히, 릴(43)은 도로 덮개(12)를 감기 위해 필요한 동력장치를 갖추고 있어야 한다. 도로 덮개(12)는 도로 덮개(12)면을 따라 트럭(40)이 진행됨에 따라 감기며, 바닥자석덮개(24)와 도로 덮개(12) 사이의 자력은 트럭(40)과 릴(43)의 조작으로 극복된다.

도 4c는 이전의 도로 덮개를 제거하고 새로운 도로 덮개를 까는 계절 교체 작업을 보여준다. 예를 들어, 여름철 젖은 노면에 좋은 제동력과 미끄럼 방지의 목적으로만 사용되는 도로 덮개(12)를 겨울에는 제빙 기능을 포함한 도로 덮개(12)로 교체할 수 있다. 또한 단순히 유지 차원에서 주기적으로 도로 덮개(12)를 교체할 수도 있다. 어떤 경우든 한 대의 트럭(40)은 기존 도로 덮개(12)를 걷어 내어 바닥자석덮개(24)를 노출시키고, 가까이 따라오는 또 다른 트럭(40)은 도 4c에서 보이듯이 바닥자석덮개(24) 위로 새로운 도로 덮개(12)를 깔게 된다.

도 5a에서 도 5e를 참고하여 일반적인 관점에서 노면에서의 차량의 제동력을 증가시키는 방법을설명한다. 도 5a에서 5c는 도로면에 접촉되어 있는 차량의 바퀴(51)를 보여준다. 실접촉면(55)은 너비(53)(도 5b)와 길이(52)(도 5a)를 갖는다. 도 5c에서 명백하듯 접촉 면적(55)은 바퀴 단면(55)을 노면 바닥에 투영한 면적(56)에 비해 어느 정도 작다. 어느 경우든 노면에 대한 바퀴(51)의 제동력은 바퀴(51)에 의해 지지 되는 차량의 무게와 접촉면(55)과 함께 접촉면(55)에서의 마찰 계수에 의존한다. 현대의 운전자들은 도로면이 빙판 등으로 미끄러울 경우 표면에 모래알갱이와 같이 작고 모난 이물질만 뿌려도 마찰력, 즉 제동력이 증가한다는 것을 필수적으로 인식하고 있다.

본 발명의 바람직한 실시예로 도 5d와 5e는 도로 덮개(12)와 바퀴(51)의 접촉을 보여준다. 앞에서 잠깐 언급하였고 앞으로 상술할 것처럼, 도로 덮개(12)는 빙판 조건에서 운행하는 차량의 제동력 증대를 위해 융기부(ridge)(57)로 되어 있다. 융기부(57)는 도 5d에서 보듯 운전 방향에 경사져 있고 일정 간격(58)으로 떨어져 있다. 이 융기부의 간격(58)은 최악의 상황을 고려하여 도로 덮개(12) 위를 운행하는 가장 작은 바퀴를 가진 차량을 고려하여 바퀴 접촉면의 길이(52)를 염두에 두고 설계한다. 이 예에서는 융기부의 간격(58)은 도로 덮개 위를 지나는 바퀴(51)의 전형적인 접촉 면(55) 내에 최소 두 개의 융기부(57)가 닿도록 선택된다. 이 융기부들(57)은 바퀴(51)에 대해 모래 알갱이나 바퀴 체인과 같이 제동을 도와주는 역할을 하도록 한다. 이러한 방법으로 도로 덮개(12) 위에 얇은 빙판이 있더라도 융기부(57)는 차량 바퀴에 개선된 제동 효과를 가져오게 된다.

도 6a 내지서 6e는 본 발명의 바람직한 실시예로 도로 덮개(12)의 작동을 보여준다. 도 6a는 위에 설명한 도 5e와 앞서 설명한 것처럼 빙판길에서의 차량 제동력을 증가시키기 위해 노면을 따라 설계된 융기부(57)를 보여준다.

본 발명의 바람직한 실시예로 융기부(57)는 대기가 결빙 조건일 경우 도로 덮개(12)로부터 위로 뻗어나오며, 상온에서는 도로 덮개 속에 스며들어 있어 운전을 부드럽게 한다. 이 작동은 도 6b와 6c에 나타나 있다. 도 6b는 상온 조건에서 본 발명의 바람직한 실시예로 도로 덮개 상태(12)를 보여준다. 도 6b에서 명확히 알 수 있듯, 이러한 조건에서 융기부(57)들은 도로 덮개(12)의 내부(28) 속에 들어 있어, 지나가는 차량에 부드러운 노면을 제공한다. 도 6c는 대기 조건이 결빙이 될 경우의 도로 덮개(12) 상태를 보여준다. 이 상태는 응축이나 강설 등으로 충분한 습기가 있고 온도가 어는점 부근일 경우이다. 이 상태에서는 융기부(57)가 도로 덮개(28) 위로 돌출되어 지나가는 차량의 제동력이 증가하게 된다.

도 6d와 도 6e는 도로 덮개(12)의 일반적인 작동을 보여준다. 일반적으로 도로 덮개(12)는 앞서 설명하였듯이 평행한 튜브(29) 다발을 포함한 튜브층(28)을 포함하고 있다. 도 6d는 역시 상온 조건에서의 상태를 보여 주는 것으로 모든 튜브(29)가 거의 같은 직경을 갖기 때문에 충분히 편평한 노면을 제공한다. 도 6e는 결빙 조건에서의 일반적인 도로 덮개(12)를 보여준다. 융기부(57)는 본래의 직경을 유지하는 튜브(29)와 두께(67)만큼 줄어든 튜브(29)들 사이의 높이 차이에 의해 발생한다. 이 상태에서, 융기부(57)는 두께(67)가 줄어든 튜브(29)층 위로 상대적으로 돌출하게 되며, 지나가는 차량의 바퀴(68)에 제동력이 증가되게 된다.

줄어든 면(69) 위로 돌출된 융기부(57)의 돌출 정도는 빙판길의 제동력을 증가시키는 모래 알갱이나 여타 물질의 크기 정도가 되도록 한다. 이러한 점에서 융기부(57)와 줄어든 면(69) 사이에 두께 차에 마찰계수가 거의 비례하므로 이 차이 두께를 충분히 하는 것이 좋다.

또한 각각의 튜브(29)는 융기부(57)로 작용하든 안 하든, 결빙 조건에서는 변형이 가능하도록 하여 도로 덮개(12)에 대해 기계적 방빙 역할을 하도록 한다. 얼음은 전단 응력이 압축 응력에 비해 훨씬 약하다. 예를 들어, 노면에 생성된 얇은 빙판(소위 흑빙, black ice)은 노면과 매우 강하게 결합되어 차량이 그 위를 지나도 깨지지 않는다. 반면에 그런 빙판이라도 공기나 물 거품이 있어서 하방 응력에 의해 변형을 받아 차량이 지나감에 따라 쉽게 깨진다. 본 발명의 바람직한 실시예로, 도로 덮개(12)의 튜브(29)는 지나가는 차량 무게에 의해 모두 변형이 가능하다. 도로 덮개(12) 위를 지나는 차량에 의한 튜브(29)를 포함한 튜브층의 변형은 접촉면을 변형시켜 노면의 얇은 얼음층이 부서 지게 된다. 충분히 많은 차량들이 도로 덮개(12) 위를 지나간다고 한다면, 결빙 조건에서 도로 덮개(12) 위의 결빙은 쉽게 깨지고 위험한 재결빙도 방지될 것이다. 도로 덮개에 의한 이러한 기계적 방빙 메커니즘은 안전한 도로를 위해 매우 유용하다.

본 발명에서는 결빙조건에서 도로 덮개(12) 내의 튜브(29) 층의 여러 거동 방안에 대해 제안하고 있다. 한 방법은 (융기부(57)로 돌출된 튜브를 제외하고) 튜브(29)에 상온 조건에서는 고정된 튜브 두께를 유지하도록 특정의 고체, 액체나 기체를 채우고, 온도나 외부적 조절에 의한 충진 물질의 물성 변화를 이용, 결빙 조건에서는 변형되어 줄어들도록 한다. 융기부(57)를 생성할 튜브(29)는 반대로 결빙 조건에서도 그 부피를 유지하도록 다른 특성의 물질로 채워, 붕괴되어 줄어든 튜브(29)들 사이에 돌출부분으로 작용하게 된다.

이제 도 7a 내지 7c를 통해, 본 발명의 바람직한 실시예로 상이한 특성을 갖는 도로 덮개(12)에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 7a에서 보듯이 도로 덮개(12)는 튜브(72)(73)들을 포함한다. 수축 튜브(73)는 도로 덮개(12)의 대부분을 차지하여, 도 6e에서처럼 붕괴하여 줄어드는 튜브로 작용한다; 또 다른 튜브(72)는 반면에 융기부(57)에 해당 되어 줄어든 튜브(73)면 위로 돌출하게 된다. 한 가지 방법으로 돌출할 돌출 튜브(72)의 내부(75)가 물로 채워지고 봉인되었다고 하자. 반면 나머지 수축튜브(73)는 빙점 이상에서는 가스로 존재하고, 빙점 이하에서는 액체로 존재하는 어떤 물질로 채워진다고 하자. 이러한 물질로는 프레온이나 이를 포함한 냉매 혼합물을 들 수 있다. 이 방법에서는 상온에서는 수축 튜브(73)가 액체 상태로 채워져 다른 돌출 튜브(72)와 같은 높이를 이뤄 부드러운 노면을 이룬다. 반면에, 도 7b에 보이듯, 수축 튜브(73)의 내부(76)는 어는점 이하가 되면 붕괴가 가능해지며, 물로 채워진 다른 돌출 튜브(72)는 붕괴되지 않는다. 실제로 돌출 튜브(72) 내부(75)의 물이 얼기 시작하면, 얼음으로 변하기 시작하는 물(75)의 팽창으로 돌출 튜브(72)는 약간 팽창한다. 이 상태에서 도 7b와 7c와 같이 딱딱해진 돌출 튜브(72)는 붕괴되어 줄어든 수축 튜브(73)들 사이로 돌출되어, 차 바퀴에 채워지는 강철 체인과 동일한 역할을 하며, 진행 차량에 제동력 증가를 제공한다. 게다가 도로 덮개(12)의 모든 줄어든 수축 튜브(73)는 지나가는 차량 무게에 따라 변형이 되어, 기계적 방빙 효과가 발생하므로 위험한 재결빙을 방지하게 된다.

본 발명의 또다른 실시예에 의하면, 돌출 튜브(72)의 내부(76)를 어는점 이상에서는 유연성을 지니지만 어는점 이하에서는 분자 구조가 단단해지고 실제 팽창하는 열반응 고무로 채울 수 있다. 이러한 열반응 고무로는 일본에서 차량 바퀴 스파이크에 사용되고 있다.

도 6a 내지 6e 그리고 도 7a 내지 7c까지의 그림에서 알 수 있듯이 도로 덮개(12)에 의한 기계적 제빙 과정은 특히, 결빙이 쉽게 되는 교량 갑판 등에 매우 신뢰할 만하고 환경 오염이 없는 노면을 제공한다고 볼 수 있다. 기계적 제빙과 함께, 어는점 이하에서 자동적으로 발생하는 도로 덮개(12)의 일정 간격의 융기(12) 돌출은 도로 덮개의 제동 성능을 올려준다. 노면의 안전 유지를 위해 사람의 노력은 전혀 필요 없게 된다.

기계적 제빙이나 제동력 증가와 함께 도로 덮개(12)는 도 8a 내지 8d을 통해 설명되는 것처럼 노면을 열적으로 제빙하는 기능도 있다.

도 8a와 8b 같이, 도로 덮개(12)의 튜브(81)는 내부에 주기적으로 전열 코일(82)이 깔려 있다. 이 예에서, 도 8b에서 보듯, 튜브(81)는 도 7a의 튜브(72)의 일부를 대체하며 결빙 조건에서 높이는 그대로 유지되므로 도 8c에서 보이듯 돌출 튜브(72)(81)와 줄어든 수축 튜브(73) 사이에 높이차는 유지되게 된다.

도 8b에 간단히 보이듯, 가열 코일(82)들은 전원 코드(84)에 의해 병렬로 연결되며, 도로 덮개(12)의 총 길이만큼 연결되어 파묻힌다. 전원 코드(84)는 분기소켓(9)에 연결된 외부파워코드(7)와 연결된다. 분기소켓(9)은 케이블(19)에 의해 전원 스위치 제어 박스(16)과 연결되는데, 다음 설명과 같이 시스템 제어 모듈(10)에 의해 차례로 제어된다.이런 식으로 가열 코일(82)은 결빙 상황을 감지하면 활성화되어 도로 덮개(12) 위의 결빙을 방지하도록 가열된다. 튜브(72)(73)(81)의 변형과 이에 의한 기계적 제빙은 노면에 위험한 빙판 생성을 방지하기 위한 가열 코일(82)에 의한 열적 방빙에 도움이 된다. 하지만 가열된 튜브(81) 인근의 수축 튜브(73)는 어는점 이상으로 가열되어 도 8d에 나오듯 원래의 부피로 팽창될 수 있다.

앞에서 설명하였듯, 튜브(72)(73)(81)는 단열층(27) 위에 배치된다. 단열층(27)은 단열 효과가 뛰어나도록 제작되어 가열 코일(81)에 의한 열에너지가 교량 갑판에 흡수 되지 않도록 하며, 따라서 도로 덮개(12) 상부로 열이 나가도록 한다. 이 단열 방법은 본 발명의 바람직한 실시예로서 도로 덮개(12)의 열효율을 특히 기존의 열적 방빙 기법에 비해 매우 증가시키게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예로서 도 8b에 보이듯, 열적 방빙 메커니즘은 지능형 자동 기법에 의해 구동될 수 있다. 온도 센서(85), 강우 센서(86)와 결빙 센서(87)가 도로 덮개(12) 를 따라 설치 된다. 이 분야 기술자라면 이런 센서를 쉽게 설치할 수 있다. 온도 센서(85)는 열전쌍이나 전기적으로 감지되는 다른 일반적인 온도 센서가 사용될 수 있다. 강우(86) 및 결빙 센서(87) 역시 도로 덮개(12)나 교량 갑판(2) 위의 국지 저항을 측정하거나 저항 브릿지등을 이용한 일반적인 방법으로 설치될 수 있다. 각 센서들(85)(86)(87)은 도 8b에 있는 시스템 제어모듈(10)과 정보를 교환하게 된다.

본 발명의 발전적인 실시예로, 시스템 제어 모듈(10)은 각 센서(85)(86)(87)로부터 자료를 수신할 수 있는 프로그램 가능한 컴퓨터로 수신된 측정치를 바탕으로 제어에 관한 결정을 하게 된다. 또한 시스템 제어 모듈(10)은 원격 중앙 통제소 등에서 제어 명령이나 시스템 상황을 통신할 수 있도록 무선 통신 기능도 갖고 있다. 시스템 제어 모듈(10)은 보조 배터리 백업 장치가 된 상태에서, 지주(5)에 연결 된 전선(14)으로 전기 공급을 받도록 하거나 (그림에는 나타나 있지 않지만) 태양에너지 판 등에 의해 에너지 공급을 받도록 한다.

시스템 제어 모듈(10)에 장착된 의사결정 알고리즘은 설계하기에 따라 단순하거나 복잡할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예로, 시스템 제어 모듈(10)은 주기적으로 센서(85)(86)(87)로부터 자료를 수집하도록 한다. 수집 주기는 특정 상황에 따라 다르다; 예로 들어 기온 센서(85)나 중앙 통제소와의 통신을 통해 상온이 감지되면 각 센서(85)(86)(87) 들에 의한 감지 활동을 거의 하지 않거나 아예 멈추고 있을 수 있다. 센서의 감지를 통해 도로 덮개(12)의 결빙이 감지되면 시스템 제어 모듈(10)은 열적 제빙 기능을 시작한다. 이러한 조건은 온도 센서(85)에 의한 결빙 온도 감지와 강우 센서(86)에 의한 도로 덮개(12) 표면의 습기조건 감지를 통한 결정이 한 예로 볼 수 있다. 혹은 이러한 결정은 기온이나 습기 감지와 관계없이 결빙 센서(87)의 도로 덮개(12)나 노면에서의 독자적인 결빙 감지를 통해 이뤄질 수도 있다. 어떤 경우든 결빙 조건이 판단 되면, 시스템 제어 모듈(10)은 전원 스위치 제어박스(16)에 명령을 내려 가열 코일(82)에 전력을 공급하게 한다. 도로 덮개(12)의 튜브(81)는 가열되며, 열적인 제빙작업을 수행하게 된다.이후 각 센서(85)(86)(87)가 더 이상 결빙이 안 될 것으로 감지하면, 시스템 제어 모듈(10)은 전원 스위치 제어박스(16)에 명령을 내려 가열 코일(82)에 전원 공급을 차단하게 한다.

본 발명의 실시예에서 기계적 방빙과 함께 사용되는 열적 방빙에서는 몇몇 방법으로 에너지 효율을 극대화 할 수 있다. 앞서 언급하였듯이, 단열층(27)은 모든 열의 흐름 방향을 도로 덮개(12) 상부로 하여 얼음을 녹이는 데만 사용되므로, 전기에너지의 사용을 극대화 하게 된다. 둘째로 열적 방빙 메커니즘의 지능형 제어를 통해 결빙 상태가 경미할 경우 사용하지 않는 등 전기에너지 사용 자체를 최소화할 수 있다. 또한 도로나 교량 갑판 전체가 가열될 필요가 없다. 다만 차량 바퀴가 지나는 도로 덮개(12) 설치 부분만 가열된다. 위 방법들을 결합하면 본 발명의 실시예에서 기존의 열적 방빙에 소요된 에너지의 16분의 1만 가지고 안전한 운전 환경을 만들어 낼 수 있다. 본 발명의 실시예는 또한 자동화를 통해 사람에 의한 제어나 조정이 필요 없고, 환경에 전혀 지장을 주지도 않는다.

이제 도 9a 내지 9d를 통해, 도로 덮개(12)의 화학적 방빙 메커니즘을 설명하고자 한다. 앞서 기술하였듯이 속이 빈 튜브로 도로 덮개(12)를 건설하므로 이 튜브를 통하여 방빙제를 분사할 수 있다. 본 발명의 실시예로 도 9a에 보듯, 화학적 방빙을 위해 선택된 튜브(92)는 상부면에 오리피스(93) 가 있어서 이를 통해 방빙제를 분사하도록 되어 있다. 오리피스(93)는 도 9b처럼 원뿔형으로 되어 있어 도로면의 불순물에 의해 막히지 않도록 되어 있다. 이 형태는 또한 분사 튜브(92)의 분출 압력을 높여 오리피스(93)를 막을 노면의 불순물을 밀어내도록 한다. 이 오리피스(93)의 성형은 예를 들어 일반적인 드릴을 이용하여 튜브(92)벽 전체에 실린더형 구멍을 뚫은 후 드릴 비트의 위치를 바꾸어 뚫으면 된다.

도 9d는 본 발명의 바람직한 실시예로서 방빙 화학제의 공급을 조절하는 분사 튜브(92)가 결합된 도로 덮개(12)를 보여준다. 이 실시예에서 공급선(94)은 도로 덮개(12)의 언저리에 매설되어 병렬적으로 방빙제를 튜브(92)에 공급하도록 각각의 분사 튜브(92)와 연결되어 있다. 도 9d와 8b를 비교하면 알 수 있듯 공급선(94)은 도로 덮개(12)에서 가열 코일(82)에 전류를 보내는 전력선(84)과 반대쪽 언저리에 설치된다. 공급선(94)은 외부의 화학제 공급 튜브(6)를 거쳐 분기 박스(8)로 연결된다. 여러 도로 덮개(12)에 공급할 수 있도록 분기 박스(8)는 여러 개의 출구를 갖고 있다. 분기 박스(8)로 공급하는 것은 조절 밸브(17)와 연결 된 튜브(18)를 통해서이며, 조절 밸브(17)는 공급 탱크(15)에서 분사 튜브(92)로 방빙제 공급 여부를 조절하게 된다. 조절 밸브(17)는 시스템 제어 모듈(10)에 의해 제어 되며, 앞서 설명한 것처럼 센서나 정보 전달로 반응되도록 한다.

도 9c는 좀 더 자세한 조절 밸브(17)를 보여 준다. 공급 탱크(15)는 위로 부터 조절 밸브(17)와 연결되며 방빙제를 중력에 의해 흘러 내려 오도록 한다. 압력 센서(99)는 도로 덮개(12)로 원활히 공급 되도록 공급 탱크(15)의 저장 유체 남은 양을 확인한다; 만일 충분치 않으면 일련의 신호가 시스템 제어 모듈(10)로 전달될 수 있다. 밸브 몸체(95)는 수시로 시스템 제어 모듈(10)과 정보를 교환하는 자기 액추에이터(98)에 의해 조절된다. 앞서 설명하였듯이 시스템 제어 모듈(10)에 의해 수행되는 의사 결정 알고리즘에 의해 자기 액추에이터(98)는 밸브 몸체를 통해 도로 덮개(12)의 튜브(92)까지 내보낼 방빙 화학제의 양을 제어한다.

시스템 제어 모듈(10)이 센서(85)(86)(87)로 부터 자료를 받고, 이를 바탕으로 예를 들어 교량 갑판(2)(도 1a)에 결빙이 판단되었다면, 시스템 제어 모듈(10)은 자기 작동기(98)에 신호를 보내 조절 밸브(17)를 열도록 하고, 이를 통해 저장탱크(15)로부터 방빙 화학유체를 튜브(92)로 보내도록 한다. 중력에 의해 유체는 튜브(92)로 흘러가고 도로 덮개(12) 표면의 오리피스(93)를 통해 방출된다. 또한 도로 덮개(12) 위를 지나는 차량의 무게에 의해 튜브(92)가 눌리며, 이는 오리피스(93)를 통해 유체가 노면에 분사되는 것을 도와준다. 게다가 분사 튜브(92)는 일정 간격으로 설치되어 있으나 지나가는 차량 바퀴에 묻은 방빙제는 차량이 이동하면서 도로 덮개(12) 다른 면에도 고루 뿌리는 역할을 한다.

좀 더 바람직하게는 결빙 조건을 감지한 후 이에 반응하여 시스템 제어 모듈(10)이 방빙제 분사 알고리즘을 수행할 때, 분사되는 방빙제의 양을 최소화 하도록 하는 것이다. 실례로 조절 밸브(17)의 초기 열림은 시스템 제어 모듈(10)에 의해 조절되어 방출되는 화학제의 양을 최소화 하도록 하고, 밸브(17)의 잠금도 조절하도록 하는 것이다. 결빙 센서(87)는 이 때, 열적, 기계적 방빙 작업과 더불어 방빙제에 의해 도로 덮개(12) 위의 얼음이 녹았는지 여부를 시스템 제어 모듈(10)로 주기적으로 보낸다. 이것이 아니라면 시스템 제어 모듈(10)이 주기적으로 조절 밸브(17)에 조절된 양의 방빙제를 분사하도록 명령을 전달할 수도 있다. 이러한 자료 수집, 감지, 명령 과정은 다시 반복된다.

어떤 경우에는 강설량이 많아 방빙제가 효과 없을 수도 있다. 이때는 시스템 제어 모듈(10)이 무선 통신망을 이용하여 교각이나 도로에 제설 장비를 파견토록 요청하게 된다. 물론 제설차는 도로 덮개(12)가 손상되지 않도록 제설 블레이드를 도로 덮개(12)로부터 약간의 간격을 두고 작업을 한다. 이러한 제설 작업 동안 얼마간의 눈이 남게 되지만, 방빙 화학제가 스며 있어 녹는 속도가 개선된다.

본 발명의 바람직한 실시예로, 원하는 조건과 도로 유지면에서의 예산, 환경 조건 등에 따라 다양한 방빙 화학제가 사용될 수 있다. 그러나 다음 설명에서 명백하듯 본 발명의 실시예에서는 화학제의 효율적 사용이 가능해져 상대적으로 비싼 가격일지라도 가장 효과적이고 가장 환경에 해가 없는 방빙 화학제를 사용할 수 있게 한다. 역으로 볼 때, 사용상의 효율적 제어가 가능해져 강설지역에 과다하게 뿌려질 경우 환경에 해로운 방빙제도 본 발명의 실시예를 통해 안전하게 사용될 수 있다.

발명의 배경과 함께 논의되었듯이 대표적인 세가지 방빙제로는 염화나트륨, 염화칼슘, 염화마그네슘이 있다. 이 염화물들은 물에 섞였을 때 모두 물의 어는점을 낮추며, 따라서 방빙제로 사용되고 있다. 전형적으로 이 방빙제들은 과립의 형태로 제빙과정에서 빙판 표면에 분사되며, 조건이 맞게 되면 결국 얼음을 녹인다. 전통적인 사용에 있어서 다음 테이블과 같이 각각의 방빙제에 대한 다양한 선택 요소가 존재한다.

위 표에서 쉽게 알 수 있듯이 염화마그네슘이 녹는점, 최소의 환경 영향과 부식성으로 가장 선호되는 염화물이지만 가격이 가장 비싸다.

본 발명의 바람직한 실시예로, 위 세가지 염화물 중 어느것도 방빙제로 튜브(92)를 통해 분사될 수 있다. 그러나, 결빙 구간이 없도록 하는 데에 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 도로 덮개 시스템은 방빙제의 사용을 획기적으로 줄이도록 하였다. 이 효율성은 본 시스템의 몇몇 효과로부터 얻어진다. 이 효과 중 하나는 지나가는 차량에 의한 방빙제의 자연스런 확산 현상을 들 수 있으며, 이 효과로 분사 튜브(92)의 간격을 6인치에서 1피트 정도로 떨어뜨릴 수 있다. 또한 도로 덮개(12)는 노면의 바퀴가 접촉하는 부분에만 매설되므로 방빙제의 살포 영역을 최소화 시킬 수 있게 된다. 게다가 시스템 제어 모듈(10)의 작동은 결빙 혹은 결빙 조건에서만 이루어지므로 불필요한 방빙제의 확산을 방지할 수 있다; 특히 앞서 제안한 방법은 초기에 뿌려질 방빙제의 양을 조절하는 프로그램 루틴을 활용하며, 추가적인 결빙이 감지되어야만 추가적인 방빙제 사용을 하게 되어 있다. 도로 덮개(12)는 서로 간격을 둔 분사 튜브가 설치되어 기존의 화학적 방빙법에 비해 방빙제를 담고 있는 저장소에서 방빙제의 방출 속도를 줄일 수 있다. 결과적으로 본 발명에 의한 바람직한 실시예로서 도로 덮개 시스템은 동일 연장의 기존 도로에 사용되던 총량의 4분의 1 내지 8분의 1로 줄일 수 있게 된다.

이러한 방빙제의 감소는 방재 되는 특정 조건에 따라 다음 둘 중 하나의 이점이 있다. 환경 오염을 최소화 시키고, 최저의 결빙 온도가 요구된다면, 본 발명의 바람직한 실시예로 고가에도 불구하고 최소한의 양만 사용하면 되므로 염화 마그네슘이 사용될 수 있다. 반대로 염화나트륨이나 염화칼슘처럼 저가의 방빙제가 사용되어야 할 지역이라도 본 발명의 실시예로서의 시스템은 화학제의 사용을 최소화하므로 환경 오염을 최소화할 수 있다.

효율적인 방빙과 제빙을 위하여 제동성의 증가와 함께 기계적, 열적, 화학적 방빙은 독립적으로 혹은 복합적으로 사용될 수 있다. 그러나 최고의 효율을 위해서는 모든 방법을 복합적으로 사용하는 것이 좋다. 예를 들어 기계적 방빙과 열적 방빙 효과를 결합하면 분사에 필요한 방빙제의 양을 상당히 줄일 수 있다. 게다가 도로 덮개 시스템에 의한 제동성 증가는 안전한 노면을 위해 확보해야 할 방빙 필요 범위를 줄일 수 있다. 이제 도 10a 내지 도 10d의 그림을 통해 본 발명의 바람직한 실시예로 위 세가지 방빙 메커니즘을 결합한 도로 덮개 시스템을 설명하고자 한다. 이전에 설명한 각 요소들은 도 10a 내지 도 10d를 통해 같은 번호로 매겨질 것이다.

도 10a와 같이 도로 덮개(12)는 가열 코일 튜브(81)를 갖고 있으며, 각각의 튜브는 위에 설명한 시스템 제어 모듈(10)의 통제를 받으며 매설된 전력선(84)과 연결되어 전류를 받는 가열 코일(미도시)을 포함하고 있다. 도로 덮개(12)는 또한 오리피스(93)를 통해 방빙제를 나르고 분사하는 분사 튜브(92)도 포함하는데, 각각의 튜브(92)는 시스템 제어 모듈(10)의 통제 하에 저장 탱크(15)로부터 방빙제를 공급 받는 공급선(94)과 연결되어 있다. 센서(85)(86)(87)들은 앞서 설명한 방식으로 도로 덮개(12)에 배치 되어 전류나 방빙제의 사용을 제어하는 시스템 제어 모듈(10)에 반응한다. 시스템 제어 모듈(10)은 방빙제 사용 비용과 환경 영향을 최소화 하거나 이 두 목적을 최적화 하기 위하여 유지 인력에 의해 프로그램 운영된다. 이 프로그램은 열적 화학적 방빙 성능을 특성화 하여 유지 인력에 의해 수행된다. 튜브(81)(92) 사이에 이격된(spaced) 수축 튜브(73)들은 도 10a에는 명확히 표시 되지 않지만 서로 평행하게 배치된다. 이 수축 튜브(73)들은 앞서 설명한 기계적 방빙 효과를 제공하게 된다.

도 10b는 유체 분사 튜브(92)와 가열 튜브(81)를 따라 수축 튜브(73) 사이에 있는 돌출 튜브(72)의 단면을 보여 준다. 도 10b는 상온에서의 각각의 튜브 모습이다. 그림과 같이 도로 덮개(12)는 상당히 편평하여 편안한 주행감을 보장해 준다.

도 10c는 온도가 빙점이나 빙점 이하로 떨어진 상태에서 피동적으로 작동이 된 튜브들의 모습이다. 각각의 수축 튜브(73)는 예를 들어 튜브 내부의 기체가 액체로 바뀌어 수축하게 된다. 융기(72)는 이때 돌출되어 도로 덮개(12) 표면의 제동성을 증가시킨다. 가열 코일 튜브(81) 또한 앞서 설명하였듯이 가열 코일(82)로 채워져 있어 수축 튜브(73)들 사이로 돌출하게 된다. 이러한 돌출은 도로 덮개(12) 위에 생성된 빙판을 기계적으로 분쇄하여 위험한 빙판의 생성을 방지하게 된다.

도 10d는 센서(85)(86)(87)에 의해 결빙 상태 혹은 조건이 감지 되었을 때의 도로 덮개(12)를 보여준다. 이 상태에서, 가열 튜브(81)는 도로 덮개(12)를 가열하도록 에너지를 공급 받고 인접한 수축 튜브(105)는 상온의 비수축 상태로 다시 팽창한다. 또한, 분사 튜브(92)는 앞서 설명하였듯이 방빙제를 분사하게 된다. 융기(72)는 제동성을 증가시키기 위해 도로 덮개 위로 돌출이 유지된다. 이제 수축 튜브(73)의 변형을 포함한 모든 방빙 메커니즘이 작동하고, 결빙이 완전히 제거될 때까지 반복된다. 도로 덮개(12)가 가열 코일(81)이나 상온에 의해 완전히 가열되면, 도로 덮개(12)는 도 10b의 원 상태로 돌아가게 된다.

도 10a 내지 10d까지의 방빙 메커니즘은 결빙이나 사고가 빈번한 교차로 등지에 최적 사용이 될 수 있다. 본 시스템은 프로그래밍이 가능하여 최적화된 방빙 성능을 유지하면서 급변하는 기상이나 교통 상황을 대처할 수 있다. 이 시스템은 열, 화학, 기계적인 각각의 메커니즘이 방빙 작업 수행 시 부담을 서로 덜어주도록 시너지적인 결합을 통해 수행이 된다. 바꿔 말하면 기계적인 방빙 메커니즘은 열에너지나 화학제의 필요량을 감소시켜주고, 열적 메커니즘은 화학제의 필요량을 감소시키며, 화학적 메커니즘은 필요 열에너지를 줄여준다. 방빙제 사용 없이 기계적, 열적 방법만 사용되거나, 전기적 에너지 없이 기계적 화학적 메커니즘만 사용될 수 있으나, 최고의 성과를 내기 위해서는 위 세가지 메커니즘을 복합적으로 수행하도록 할 수 있다. 하나의 메커니즘은 또 다른 메커니즘들에 지능적으로 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 환경적으로 민감한 지역의 도로의 경우 전기에너지의 공급양을 증가시켜, 방빙제의 사용량을 줄일 수 있으며, 처리 비용에 민감한 지역은 방빙제의 사용량을 늘리고 전기에너지를 줄일 수 있다. 이처럼 시스템이 사용될 지역의 조건에 따라 특정 옵션으로 활용할 수 있다.

작업 시에는 특정 방빙제가 선택되어 사용될 수 있다. 선택과정에서는 방빙 예산이나 기온 급강하 등의 요소와 함께 환경 민감도 등이 고려 된다. 주어진 조건에서 화학제 사용 부피로부터 열적 방빙에 사용되는 전기에너지 파라미터를 결정할 수 있다. 예를 들어, 특정 방빙제와 도로 덮개(12)에서의 예상 농축도를 통해 열적 방빙 기여 정도를 결정하게 된다. 방빙제는 물의 어는점을 낮추어 도로 덮개(12)를 가열하는 열적 방빙의 요구 온도를 줄이고, 시너지를 통해 결과적으로 요구되는 에너지의 총량을 줄일 수 있다. 또한 도로 덮개(12)의 열적 방빙은 노면 위 수분의 증발을 도와 잔여 방빙제의 농도를 증가시키고 이것은 어는 점을 더욱 낮추어 도로 덮개(12)를 가열하는데 필요한 전기에너지 양을 줄이게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예로서의 기계적, 열적, 화학적 방빙 메커니즘의 복합적 사용은 시스템이 효과적으로 작용되기 위한 온도 범위를 늘려줄 수 있다. 바꿔 말하면, 본 발명의 실시예에서 노면의 결빙을 방지하기 위한 최소 온도를 줄이게 된다.

본 발명은 바람직한 실시예를 들어 기술되었지만 특성과 해당 도면과 관련된 기술에 명백하게 장점과 이점을 줄 수 있는 실시예의 개선이나 대체가 물론 가능하다. 이러한 대체나 개선은 다음의 청구항에 따른 본 발명의 범위에 속한다.

본 설명 전체에 언급하였듯이 본 발명은 겨울철 도로 교통 안전을 위한 다양한 장점을 제공한다. 교량 경간이나 갑판 등 특히 적용이 잘 되는 구역을 포함하여 도로의 방빙은 본 발명을 통해 최고의 효율성을 가지면서 수행된다. 자동 기계적 방빙법은 사람에 의한 조정이 필요 없다. 상온에서는 부드러운 노면을, 추운 날에는 제동성을 증가시킨다. 빙판 혹은 결빙 상황이 감지되면 본 발명에서는 결빙을 막기 위한 열적, 화학적 방빙을 효율적으로 제공한다. 열적, 화학적 방법의 지능적인 제어를 통해 그 효율을 극대화 시키며, 두 방법의 혼용을 통해 필요한 에너지나 화학제의 양을 줄이는 효과도 있다.

여러 방법을 복합 사용함으로써 단전이나 화학제의 부족 시에도 다중적으로 대비할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예로서 도로 덮개 시스템의 기계적 방빙 활동은 전력의 공급이나 소모성 화학제가 필요 없이 진행되므로 다른 방법들의 백업 역할을 할 수 있다. 화학적 방빙 시스템은 배터리에 의해 구동 될 수도 있으므로 전력 공급이 끊겨 가열 코일에 에너지공급이 안 되어도, 기계적 방빙 효과와 결합되어 방빙 기능을 수행하게 된다. 반면에 화학적 방빙제가 소진된 경우도 노면의 방빙을 위하여 기계적 방빙과 열적 방빙은 작동할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 바람직한 실시예로 프로그램 가능한 열 에너지와 방빙제의 자동 조절은 급변하는 도로 조건에서도 도로 처리에 대한 인력 투입 없이 방빙이 자동적으로 진행된다 이 결과 결빙되기 쉽거나 위험한 노면을 안전하게 바꿀 수 있고, 전체 도로 시스템 측면에서도 교통 사고의 발생 횟수와 피해를 크게 줄일 수 있게 된다. 또한 제동성 증가와 결빙 상황 감소를 통해 추운 날씨로 인한 도로 정체에 의한 노동생산성 손실 비용도 줄일 수 있다.

게다가 본 발명의 도로 덮개 시스템은 겨울철에는 신속하게 낮은 비용으로 설치할 수 있으며, 결빙의 염려가 없는 여름철에 제동성 만을 고려한 도로 덮개로 교체할 수 있다. 이 시스템은 기존 기술에 비해 상대적으로 낮은 비용으로 도로나 교량에 방빙이나 제빙 기능을 수행할 수 있다.